本發(fā)明一般涉及波導(dǎo)CO2氣體放電激光器。本發(fā)明尤其涉及具有多折諧振腔的CO2激光器。

背景技術(shù)：
具有大約100瓦（W）或更低的輸出功率的波導(dǎo)CO2氣體放電激光器通常優(yōu)選用于諸如產(chǎn)品加標(biāo)記、雕刻和精細(xì)切割的應(yīng)用，其中高的束品質(zhì)是重要的。在這種激光器中，通過將激光模式沿相互垂直的橫向軸線約束在介電波導(dǎo)中來控制激光器的諧振腔中的激光模式。沿一個(gè)橫向軸線供給到波導(dǎo)的相對(duì)側(cè)上的電極的射頻（RF）功率在波導(dǎo)的激光氣體混合物中形成了氣體放電。氣體放電激勵(lì)激光氣體混合器，并且因此提供激光器諧振腔中的光學(xué)增益。激光氣體混合物典型地為二氧化碳（CO2）與諸如氮和氦的惰性氣體的混合物。對(duì)于任何給定的激光氣體混合物，以及施加至電極的RF電力，激光器諧振腔將具有一定的每單位長度增益。由于這點(diǎn)，從激光器輸送的束中的功率尤其直接取決于激光器諧振腔的長度。為了將波導(dǎo)CO2激光器約束在方便的空間或“覆蓋區(qū)”內(nèi)，激光器諧振腔典型地由多個(gè)反射鏡“折疊”一次或多次。這種折疊諧振腔、波導(dǎo)CO2激光器的詳細(xì)說明提供于專利號(hào)為6,192,061的美國專利中，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并且其全部公開內(nèi)容通過引用合并于本文中。這些波導(dǎo)CO2激光器的主要特征在于，相應(yīng)折疊的波導(dǎo)通過研磨工藝被加工成諸如鋁土的陶瓷材料塊。這容許彼此成角度的相鄰的波導(dǎo)分支在“折”處重疊，并且合并成單個(gè)孔徑。這種經(jīng)加工的波導(dǎo)分支的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，波導(dǎo)分支被永久地保持為彼此精確對(duì)準(zhǔn)。然而，經(jīng)加工的波導(dǎo)分支的缺點(diǎn)在于，研磨操作費(fèi)時(shí)且相對(duì)昂貴。以舉例的方式，Z形三通道波導(dǎo)的成本能夠如帶有電源的整個(gè)激光器的成本的17%那樣高。因此，對(duì)于不需要昂貴的陶瓷加工或研磨操作的相當(dāng)?shù)恼郫B陶瓷波導(dǎo)布置存在需求。發(fā)明概述在本發(fā)明的一個(gè)方案中，氣體放電激光器包括激光器殼體，所述激光器殼體包含激光氣體。多個(gè)陶瓷管定位在激光器殼體中并且填充有激光氣體。陶瓷管中的相鄰陶瓷管彼此成銳角，并且相鄰陶瓷管的端部被定形且裝配在一起以提供共同孔徑。第一和第二電極定位在激光器殼體中并且被布置為當(dāng)電力施加至電極時(shí)在陶瓷管中的激光氣體中產(chǎn)生氣體放電。多個(gè)反射鏡被布置為形成具有延伸貫通多個(gè)陶瓷管的縱軸線的激光器諧振腔。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，電極彼此間隔開且平行，陶瓷管定位在電極之間且位于電極中的相應(yīng)凹槽中。通過將電極擠壓到一起的彈簧力來保持陶瓷管裝配在一起。附圖說明并入說明書并構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖示意性地圖示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，并且與上文給出的一般性描述和下面給出的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖1為示意性地圖示出依照本發(fā)明的折疊波導(dǎo)激光器諧振腔的優(yōu)選實(shí)施方案的平面圖，其中折疊波導(dǎo)包括三個(gè)陶瓷管的子組件。圖1A為大致沿圖1的方向1A-1A看到的端視圖，示意性地圖示出圖1的陶瓷管子組件的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。圖2為示意性地圖示出圖1的子組件的單個(gè)陶瓷管的細(xì)節(jié)的平面圖。圖3為示意性地圖示出包括圖1的陶瓷管子組件以及用于激發(fā)陶瓷管中的氣體放電的細(xì)長的放電電極的組件的分解三維視圖，所述電極被構(gòu)造為將陶瓷管子組件一起保持在組件中。圖4為示意性地圖示出在激光器殼體的一個(gè)實(shí)施例中圖3的陶瓷管和電極的組件的細(xì)節(jié)的斷面三維視圖。圖5為沿圖4的激光器殼體的中部看到的縱向剖視圖，示意性地圖示出激光器殼體中的陶瓷管和電極的組件的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。發(fā)明詳述現(xiàn)在參考附圖，其中相似的部件由相似的附圖標(biāo)記表示，圖1和圖1A示意性地圖示出依照本發(fā)明的折疊波導(dǎo)激光器諧振腔裝置的優(yōu)選實(shí)施方案10。裝置10包括實(shí)際上形成折疊波導(dǎo)的陶瓷管（波導(dǎo)）的子組件12。在子組件12中，存在分別具有第一和第二端14A和14B的兩個(gè)間隔開且平行的陶瓷管14以及分別具有第一和第二端16A和16B的橫向陶瓷管16。橫向管16的端16A與一個(gè)陶瓷管14的端14A相接觸（裝配在一起），并且陶瓷管16的端16B與另一陶瓷管14的端14B相接觸以賦予子組件“Z”形狀，平行的陶瓷管14和橫向陶瓷管16之間成銳角θ。陶瓷管的接觸端被切割以使管組合以形成如圖1A所描繪的共同孔徑17。具有縱軸線20的折疊激光器諧振腔由端面鏡22和24端接且由折疊反射鏡26A和26B折疊。優(yōu)選地，使得端面鏡22和24中的一個(gè)在激光器諧振腔的基波長上部分地透射并且用作輸出耦合反射鏡。另一端面鏡和折疊反射鏡在基波長上最大程度地反射。在陶瓷管14和16的端相接觸（裝配在一起）的情況下，陶瓷管的長度被削減以使共同孔徑17具有細(xì)長“腰部狹窄”的形式。這使得在確保諧振腔軸線20與陶瓷管的縱軸線共線以優(yōu)化激光效率的同時(shí)將折疊反射鏡26A和26B與陶瓷管的端部間隔開。尤其地，要求反射鏡間距保持反射鏡遠(yuǎn)離將在陶瓷管中被激發(fā)的放電物，并且允許在諧振腔中反射鏡的對(duì)齊。適于用作陶瓷管14和16的擠壓鋁土毛細(xì)管能夠通過商業(yè)方式從眾多公司中的SacramentoCalifornia的OrTech有限公司、BereaOhio的SentroTech公司和Colorado的Golden的CoorsTek獲得。圖2是以拆卸形式示意性地圖示出圖1的陶瓷管子組件的平面圖。在管14中，每個(gè)管的一端具有長度L1，在該長度L1上，管與陶瓷管的縱軸線成角度θ/2被切成斜角或倒角。陶瓷管16相應(yīng)地被倒角以當(dāng)其倒角的端部相接觸時(shí)在陶瓷管之間提供角度θ。長度L2優(yōu)選地對(duì)于兩個(gè)陶瓷管14的管都相同，陶瓷管16具有(L1+L2)/Cosθ的總長度，以使陶瓷管的端部能夠在共同的平面中對(duì)齊。在制造操作中，對(duì)管進(jìn)行切斜角或倒角能夠通過批量研磨來完成，從而使得陶瓷加工成本最小化。管的總長度L1+L2被選擇以與期望的激光器長度相符合。數(shù)量或臂（陶瓷管）能夠僅為兩個(gè)，或者多于此處示例的三個(gè)，呈V形、Z形、M形或一些其它更加復(fù)雜的形狀。典型地，能夠獲得每英寸波導(dǎo)長度大約12.5W的CO2激光器輸出功率。陶瓷波導(dǎo)的內(nèi)徑d被選擇以滿足用于抑制高階模態(tài)的小菲涅耳數(shù)（(d/2)/Lλ）要求。在CO2激光器中，λ（激光器輻射線的波長）將在10.0微米（μm）的階上。菲涅耳數(shù)的優(yōu)選值為大約0.5。優(yōu)選地，波導(dǎo)子組件的角度θ在大約2°和10°之間。較大的角度θ增加了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度以及組件的相應(yīng)殼體的寬度。較小的角度θ增加了陶瓷管14和16的重疊的長度L2。這會(huì)導(dǎo)致在重疊區(qū)域中的擴(kuò)大放電區(qū)域內(nèi)的放電“熱點(diǎn)”。這種放電熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致激光器效率降低。合并陶瓷管14和16以形成一個(gè)孔徑提供了相鄰管中的放電之間的耦合，以確保兩放電幾乎同時(shí)點(diǎn)燃。在形成陶瓷管子組件12時(shí)的特別的挑戰(zhàn)之處在于，用粘合劑或接合劑保持陶瓷管14和陶瓷管16的端部相接觸不切實(shí)際。其原因之一在于，這種粘合劑或接合劑會(huì)對(duì)激光氣體混合物進(jìn)行“除氣”并污染激光氣體混合物。此外，管的上述優(yōu)選尺寸以及陶瓷材料的脆性本質(zhì)導(dǎo)致陶瓷管略易碎。需要設(shè)計(jì)這樣一種組裝方法：將確保陶瓷管可在其切有斜角的端處確實(shí)保持接觸；保持彼此正確對(duì)齊，以使其縱軸線可保持與諧振腔軸線對(duì)齊；并且以避免陶瓷管受到機(jī)械應(yīng)力的方式被保持，其中機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其撓曲或者甚至破碎。下文參考圖3提供了這樣一種優(yōu)選方法的描述。此處，以拆卸形式描繪的組件30分布包括上方電極32和下方電極34。這些電極是用于在陶瓷管14和16中產(chǎn)生放電，當(dāng)然，是在當(dāng)陶瓷管中存在激光氣體且RF電力施加至電極時(shí)。在該布置中，期望電極32為活躍的或“熱”的，并且電極34為接地電極。陶瓷板48提供了熱電極與激光器殼體的絕緣，這在下文將進(jìn)一步詳細(xì)說明。電極32和34裝設(shè)有與陶瓷管的形狀和取向相對(duì)應(yīng)的凹槽。在電極34中，平行的凹槽36被構(gòu)造為容納陶瓷管14，并且有角度的凹槽38被構(gòu)造為容納陶瓷管16。在電極32的凸起部分40中存在相應(yīng)的凹槽（不可見）。在完成組件30的一種方法中，陶瓷管被置于電極34中的相應(yīng)凹槽中；電極32被固定，其中的凹槽與陶瓷管相接觸；然后，通過電感42接合電極，螺釘44A將螺紋孔46A嚙合在電極34中，并且螺釘44B將螺紋孔46B嚙合在電極32中。電感42起到了使得由電極產(chǎn)生的放電均質(zhì)化的作用，這是本領(lǐng)域公知的。陶瓷管子組件能夠在激光器殼體中保持在一起，通過施加至電極32的彈簧力將管保持對(duì)齊，電極34?？吭跉んw的底座上。可選地，電感42能夠形成為盤簧，例如由磷青銅制成。在將彈簧螺紋連接到電極的同時(shí)這些彈簧能夠被拉伸，并且然后被釋放以允許盤簧張力將電極朝向彼此擠壓，并且抓住陶瓷管組件。這具有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠獨(dú)立于將電極和陶瓷管安裝在殼體中的操作來進(jìn)行電極和陶瓷管組件的完成。圖4示意性地圖示出定位在激光器殼體50中的上述陶瓷管和電極組件30的一個(gè)實(shí)施例。殼體50能夠經(jīng)由在相應(yīng)凹槽51中的墊圈或O形圈（未示出）通過端板（未示出）氣密地密封。端板典型地包括用于諧振腔反射鏡的氣密密封的安裝件。這種反射鏡安裝件的一個(gè)實(shí)施例的描述提供于上文引用的專利號(hào)為6,192,061的美國專利中。在圖4中，能夠在電極34的相應(yīng)的凸起部分中看到凹槽41。凸起部分提供的是在電極之間存在足夠的空間，其中電極與陶瓷管不接觸，從而防止當(dāng)RF電力施加至此時(shí)電極之間的偽電弧放電。凸起部分的優(yōu)選高度在大約0.2英寸和大約0.4英寸之間。殼體50的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)描繪于圖5的縱向剖視圖中。此處，截面是在沿圖4的殼體50的長度的中部的點(diǎn)處截取的，以使得電極32的凸起部分45中的用于接受陶瓷管16的凹槽43是可見的。凹槽和相應(yīng)的凸起部分對(duì)角地橫過電極32延伸。殼體50包括兩個(gè)分離的隔室58和60。隔室58容納陶瓷管和電極組件以及激光器諧振腔，并且包含激光氣體，當(dāng)然激光氣體也在陶瓷管中。殼體的封閉隔室58的網(wǎng)狀或隔膜部分51提供了殼體中的一定程度的柔性以適應(yīng)差別擴(kuò)展應(yīng)力。殼體的該方面的詳細(xì)說明提供于美國專利公開2009/0213885中，該專利公開被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并且其全部內(nèi)容通過引用合并于本文中。殼體的塊狀部52用作殼體的擴(kuò)散冷卻部件。在圖5中，冷卻部件52裝備有冷卻翅片54?？蛇x地，擴(kuò)散冷卻部件可以為水冷。陶瓷管14和16的子組件能夠通過由彈簧49提供的彈簧壓力保持在一起，彈簧49壓縮在殼體的冷卻部件52和將熱電極32與殼體絕緣的陶瓷管48之間。電極34牢固地抵靠在殼體的底座上。此外，由于殼體的隔室58收容了處于大約30至100托之間的亞大氣壓的激光氣體混合物，并且因?yàn)橥ㄟ^殼體的隔膜部分51提供的柔性，殼體周圍的大氣壓將增加由彈簧49提供的彈簧壓力，將電極擠壓到一起，并且因此將陶瓷管和電極組件牢固地保持在一起。根據(jù)隔膜部分51的厚度和柔性，可以僅依靠殼體內(nèi)部和外部之間的壓差來將電極擠壓在一起。隔室60容納RF電源（RFPS）62。RFPS安裝到板74上，板74裝設(shè)有冷卻翅片76。短連接件64將RFPS與電穿通線66連接。穿通線的連接器68將RF電力傳遞到電極32的面向連接器的一側(cè)的大致中部位置?？傊?，參考優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于所描述和描繪的實(shí)施方案。相反，本發(fā)明由隨附的權(quán)利要求書限定。